基于内外圈协同优化策略的间歇化工过程不确定性调度研究

发布时间：2020-08-26 20:20

【摘要】：间歇化工过程调度是实际化工生产中的关键环节,是连接生产经营管理和生产过程控制的纽带,在过去的十几年受到学术界和工业界的广泛关注。现有文献中大多假定系统的所有数据都是确定的,而实际过程中出现的产品的加工时间、产品市场需求和设备可用等不确定性因素往往会导致原确定性生产调度方案无法按预定的目标执行或者根本不可用,所以对不确定性调度进行研究显得非常重要。本文详细综述了间歇化工过程调度、不确定性调度的研究现状、水平和问题,并以间歇化工过程不确定性调度为研究对象,开展了以下研究工作: 1提出了求解间歇化工过程调度的基于随机优化算法的内外圈协同优化策略。根据间歇化工过程调度问题本身特点,将调度优化问题分解为调度次序问题和时间表问题,并结合随机优化算法的特点和优势,提出了求解调度问题的内外圈协同优化策略。该方法与随机优化算法契合紧密,外圈由随机优化算法实现随机搜索;以整数为变量确定调度的优化结构;内圈对调度进行参数优化确定调度的时间安排,并通过数据传递实现内外圈协同优化。通过将优化变量分开,缩小了求解范围,提高了求解的效率,克服了常规调度优化问题求解的组合爆炸性,从而使原问题得到简化。实例证明了该算法的有效性。 2研究了间歇化工过程的确定性调度问题。根据间歇化工过程的特点,分别对多产品厂、多目的厂、设立异步平行单元和多功能单元的间歇化工过程的确定性调度问题的建模进行研究,同时结合内外圈协同优化策略,提出了相应模型的染色体编码、交叉和变异方法,为不确定性调度问题研究奠定了基础。实例分别考察了有、无批量限制的以总完工时间最短和利润最大为目标的多产品厂调度问题,以总完工时间最短为目标的多目的厂调度问题、设立异步平行单元的间歇化工过程的调度问题,以平均利润最大为目标的多功能单元的调度问题。 3研究了间歇化工过程调度的在线调整问题。在确定性调度的基础上,考察了订单变化和设备故障两种不确定性因素,建立了间歇化工过程调度的在线调整模型并进行相关研究。在订单变化的在线调整中,分析了订单更改时间、以及不同订单更改方案对调度优化和目标函数的影响规律;在设备故障的在线调整中,分析了物料处理方法、设备维修时间、故障发生时间对调度的影响。实例证明了在线调整策略可以很好地分析和解决市场变化和设备故障给调度带来的影响,为调度方案的修改提供支持。 4研究了间歇化工过程随机调度问题。以概率统计理论为基础,将随机规划和确定性调度相结合,建立了间歇化工过程随机调度的期望值和概率为目标的模型和评价体系。分别就加工时间是均匀分布和离散分布的随机变量情况下的随机调度问题进行了研究,探讨了调度完工期限约束和调度完成概率之间的规律关系,以及调度期限和概率约束下的可行调度个数之间的关系。 5研究了间歇化工过程模糊调度问题。以概率统计理论和模糊理论为基础,将模糊规划和确定性调度相结合,分别就模糊事件的概率、事件的语言概率和模糊事件的语言概率为研究目标,建立了间歇化工过程模糊调度的模型和评价体系;研究了以加工时间为三角模糊数的模糊调度问题,探讨了加工时间的隶属度、完工时间约束、调度实现的可能性之间的规律关系。 6应用本论文提出的模型和算法进行了实例研究。利用本论文提出的模型和方法求得的结果比启发式规则的结果更好,且可用于多种不同的目标函数求解调度问题,通过考察市场变化不确定调度问题,证明了本文提出的基于市场订单变化的在线调整策略对过程调度的优化有一定的指导意义,可以获得更大的经济收益。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：F224;F407.7
【图文】：

甘特图,甘特图,示例

图 1-4 甘特图示例Fig. 1-4 Example of Gantt chart批量。时间限制级指因加工时间相对较长而限制整个过程总生产时间的间歇级。批量限制级和时间限制级从不同的方面成为影响产量的瓶颈，因此如何提高批量限制级的产量或者缩短时间限制级的时间成为间歇化工过程提高产量的主要途径。（7）平行单元（Parallel Unit）：是为了增大过程的生产能力在一些间歇级上设置的多台机器，可分为同步平行单元和异步平行单元。同步平行单元（Parallel Unit in Phase）一般添加在批量限制级上，物料从上一间歇级同步进入平行单元加工，相当于增加批量大小。异步平行单元（Parallel Unit out of Phase）一般设置在时间限制级上，物料在不同的时间进入平行单元进行加工，相当于在该间歇级批量不变的情况下，缩短了加工时间。1.1.3 间歇化工过程不确定性调度在实际生产中存在各种不确定因素，如产品的产量、原材料的价格和供应量、劳动力因素、每一道生产工序中产品的处理量、处理时间、中间存储单元的存储量、中间产

例子,状态,事件,设备单元

（2）网络结构过程（Network-represented Processes）在网络结构的间歇过程中允许物流的合并与分割，所以需要特别注意物料平衡。这类过程的连续时间调度模型有两类建模方法。第一类方法对所有的加工任务和设备单元统一定义事件或时间段，称之为基于全局事件的调度模型（Global Event Based Models）第二种方法基于特定设备单元来定义事件，是一个更严格也更一般的表达方法，称之为基于特定单元事件的模型（Unit-specific Event Based Models）。以上两种方法一般都是使用状态—任务网络（State-Task Network, STN）或者资源－任务网络（Resource-Task Network, RTN）来建模。这两种方法将实际过程表示为直观的图形，在图中用不同的元素代表过程中的各种生产要素或操作。Kondili[19]提出用 STN 来表达过程，在 STN 图中包含两类节点，用圆表示状态节点代表原材料、中间产品和成品；用长方形来表示任务节点，表示生产操作。图 1-6 表达了文献中一个经典的状态—任务网络的例子[37]。

资源,例子,设备,公用设施

该方法能够描述复杂的批处理过程，通过状态节点存储的资源和中间产品来确定是可以进行下一步操作，避免复杂的操作先后次序描述，而且允许批次的合并与分离。也存在着三点主要的缺陷：①任务只包含处理步骤，而不包括产品加工顺序、加工频以及设备的清洗，因此清洗行为需要另外特殊考虑。②每一个设备都必须当成不同的体，当过程中有多个相同功能的设备时会使模型变的复杂而求解困难。③不同的资源如原料、设备、公用设施等）在建模时需转化为不同约束，由于间歇化工过程工艺、量、操作条件是动态变化的，而使约束条件的表示十分困难。而在 Pantelides[38]提出的 RTN 中，将加工设备、储罐、设备的清洗、原材料的转移使用统一表示为资源，每一个任务在执行时，同时消耗资源、公用设施，同时也占用个设备；当任务执行结束，设备占用完毕。设备的清洗是必须进行的，清洗任务完成设备才可以使用。正因为如此 RTN 比 STN 复杂的多，图 1-6 的间歇化工过程用 RTN示为如下图 1-7[37]所示，从图中看出 RTN 比 STN 描述过程复杂，另外 RTN 将反应器、

【参考文献】